CN112014016B - 一种在零件加工过程中精确测量变形力的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种零件变形力的精确测量方法及装置，其特征是在以工件局部变形均为线弹性变形的约束下，通过优化算法对固定装夹点，浮动测量点的位置和数量进行优选，并将力传感器安装于装夹装置中。在优化后的装夹布局下测量零件加工过程中由于应力不平衡产生的力，即变形力。通过使用该发明的测量方法和装置，可更为准确的测量变形力。
Description
技术领域
本发明涉及一种零件变形力的精确测量方法和测量装置，尤其是一种在零件加工过程中变形力的精确测量方法及装置。以工件局部变形均为线弹性变形的约束下，通过优化算法对固定装夹点，测量装夹点的位置和数量进行优选，并将力传感器安装于装夹装置中，以测量零件变形力的方法。通过使用该发明的测量方法和装置，可更为准确的测量变形力。具体地说是一种在零件加工过程中精确测量变形力的方法及装置。
背景技术
在工件加工领域，用于加工零件的毛坯在制造的过程中，因为材料成型工艺的原因，毛坯的内部会产生残余应力。随着加工的进行，毛坯中原本平衡的残余应力被打破，为了重新达到平衡状态工件会发生变形。由于装夹装置的存在，工件的变形会被装夹装置所阻碍，工件的变形趋势作用在工件的装夹点上，因此产生变形力。当装夹装置释放后，工件会在变形趋势的作用下发生变形。工件的变形会严重影响工件的加工质量和加工效率。
变形趋势的存在，导致了变形力的产生，因此变形力是工件变形情况的表征量。由于工件的残余应力难以准确测量，所以通过对工件的变形力进行检测，并将变形力检测结果替代残余应力作为依据对加工工艺进行调整，可以有效的减小工件的变形，提高工件的加工质量与加工效率。虽然变形力是表征残余应力的一种新颖思路，但是如何精确测量变形力还缺乏有效手段。
已有研究对加工中的装夹力测量方法进行了探索，如文献“夹具布局和夹紧力的优化方法研究”中提到了夹具对工件的夹紧力，文献中对夹紧力和装夹布局进行优化，减小了由于装夹不当引起的变形，该文献只考虑了装夹布局和夹紧力对工件变形的影响，忽略了残余应力这一导致工件变形的主要因素。此外，文献“基于装夹力监测的叶片类零件铣削残余应力变形感知预测”和专利201710964936.X，提到了使用力传感器测量薄壁零件加工过程中的装夹力，以此来预测夹具释放变形后的变形量，文献在对加工环境进行了简化的基础上，将飞机叶片的装夹简化近似为简支梁结构。简化之后的装夹布局结构简单，实验得到了满足叶片加工需求的实验结果，但是针对更为复杂的大型结构件的加工，仍然还需进一步研究。综上所述，现有的变形力监测方法，只能针对简单的零件进行测量，无法测量变形复杂的大型零件，其本质原因是弱刚性零件的变形复杂，难以直接简化为简单的简支梁进行测量，因此已有方法尚不能有效测量变形力。
本发明针对零件变形力与变形的关系，提出在保证工件局部变形为线弹性变形的前提下，通过对工件的装夹位置和变形力检测位置进行优选，设置固定装夹点与测量装夹点，并采用自主设计的装夹装置进行夹紧和检测。通过使用本发明的监测方法和监测装置可有效的提高所检测变形力数据的准确度和表征能力。
发明内容
本发明的目的是针对目前工件初始残余应力存在无法准确有效测量的问题，提出了用变形力来表征残余应力影响工件变形的新方法，此外针对变形力监测方法不合理并且检测装置测量不准确的问题，提出了一种在零件加工过程中精确测量变形力的方法及装置，该发明是在以工件局部变形为线弹性变形的约束下，通过优化算法对固定装夹点、测量装夹点的位置和数量进行优化。以固定装夹点对零件局部区域形成固支约束，测量装夹点形成简支约束，在优化后的装夹布局下使用变形力测量装置对工件的变形力进行测量。通过使用该发明的测量方法和装置，可更为准确的测量变形力。
本发明的技术方案之一是：
一种在零件加工过程中精确测量变形力的方法，其特征是：在零件上设置固定装夹点，优选以零件刚性好的区域设置安装，形成固定约束区域，该区域对零件形成固支约束；在零件上设置测量装夹点，优选以零件变形大的地方设置安装，对零件形成简支约束；在零件及装夹装置上布置力传感器，以零件局部变形量均为线弹性变形为约束优化装夹装置的位置及数量，在该装夹布局下测量零件加工过程中由于应力不平衡产生的力，即变形力。
优选地，固定装夹点选择零件中心区域位置；固定装夹点根据需求安装力传感器；固定装夹点形成固定约束区域，等效为固支约束，同时固定约束区域用于固定零件的6个自由度，限制零件位移保证零件加工过程中的稳定性。
测量装夹点优选零件轮廓边缘以及弱刚性部位。力传感器的测量方向根据零件变形形式进行设置；零件变形为翘曲变形，力传感器优选单项力传感器，测量垂直方向变形力；零件变形为扭曲变形，力传感器优选多向力传感器测量多个方向的变形力。
在使零件局部变形量满足线弹性变形条件下设置测量点的位置和数量，测量点的布局包括多个点形成线列传感器和在面内布局传感器形成面传感器。
测量点的位置及数量的优化方法可选用遗传算法优化算法。将固定装夹点和测量装夹点的数量和位置进行编码；根据零件线弹性变形量适应度函数，选取初始群体；然后迭代运算，直至零件局部变形量满足线弹性变形条件，结束迭代。
当所选零件为开敞性结构件时，固定装夹点优选重心包围的最小区域；测量装夹点优选零件轮廓边缘的角点。
当所选零件为回转体零件时，固定装夹点优选零件底部基座中重心包围的最小区域；测量装夹点包含径向简支测量装夹点及轴向测量装夹点；径向测量装夹点优选在零件圆筒内部测量；轴向测量装夹点优选零件上、下圆环轮廓边缘。
本发明的技术方案之二为：
.一种在零件加工过程中精确测量变形力的装置，其特征为：它包括：
一夹紧装置1，该夹紧装置1用于约束零件变形，由零件定位夹紧装置或压板构成；
一测力装置2，该测力装置2由力传感器或应变片组成，它通过测量集中力或应变，得到变形力的大小；
一底座4，该底座4用于将以上装置整体固定于工作台上。
本发明的精确测量变形力的装置还包括一补偿调整机构3，该补偿调整机构3根据需求安装，它被用于调整装夹位姿，在保证夹紧力的基础上，减少装夹引起的零件变形量；测力装置2与连接装置集成时，安装位置优选集中力通过位置，测量变形集中力；或测量局部装夹位置力，根据装置结构进行计算，得到集中力。
本发明的有益效果是：
1、对装夹位置和检测位置进行优选，提高了变形力的准确度和表征能力；
2、对力传感器的安装位置进行了合理的选择，提高了测量数据的准确度
3、通过本发明所采集到的变形力数据，具有表征能力强，准确度高的特点，基于该发明所检测的数据进行加工工艺的调整，可有效降低工件的加工变形。
附图说明
图1为本发明装夹布局示例图。
图2为本发明的装夹装置结构示意图。
图3为本发明的装夹装置的调整机构示意图。
图4为本发明的装夹装置的测力装置示意图。
图5为本发明的装夹装置的夹紧装置示意图。
图中：1为夹紧装置、2为测力装置、3为补偿调整机构、4为底座。
具体实施方式
以下结合附图和实例来对本发明做进一步说明，本发明不限于该实施例。
实施例一。
如图1所示。
一种在零件加工过程中精确测量变形力的方法，它包括以下步骤：
1、设置仿真环境，对仿真环境下的工件添加残余应力，其中残余应力的水平根据该类工件的平均水平，再加以一定的高斯噪声给出。
2、对于如图1所示的结构件，固定装夹点的初始位置为零件中间包络重心的区域，测量装夹点为零件角点位置；对工件的固定装夹位置和测量装夹点位置进行装夹，对工件进行仿真加工，每加工完一层，对零件整体变形力进行一次提取，直至加工结束。
3、建立与1相同的仿真环境，在该仿真环境下建立一个已加工完成的工件模型，对工件的固定装夹点进行装夹，将2当中提取到的变形力施加到变形力测量点的位置。
4、提取工件的变形数据。
5、分析零件整体变形量数据，若零件存在局部变形为非线性弹性变形，则通过遗传算法进行优化。然后重复步骤2、3、4。直至零件整体变形均为线弹性变形，并输出装夹位置。
6、按照5当中输出的装夹位置，对工件进行装夹。
7、对工件进行加工，并对工件的变形力进行监测。
8、重复步骤7直至工件完成加工。
9、输出加工变形力，变形力测量结束。
实施例二。
如图2-5所示。
一种在零件加工过程中精确测量变形力的装置，它主要由夹紧装置1、测力装置2、补偿调整机构3和底座4四部分组成，如图2。
装夹装置对工件的夹紧，通过夹紧装置1实现，夹紧装置由夹紧螺栓5和夹紧座6组成（图5）。夹紧螺栓5与工件连接，连接完成后夹紧螺栓5的另一端与夹紧座6连接，以此来实现工件的夹紧。
装夹装置位姿的调整通过调整机构3来实现，调整机构3中动作调整机构8的动作可以实现动作平台7在X、Y、Z方向上的移动，以及动作平台7绕X、Y方向的转动，如图3所示，并且能够在任意位姿下保持固定不动。通过动作平台7五个自由度的动作可以实现装夹装置对工件的无应力装夹。
装夹装置对变形力的检测通过测力装置2实现，测力装置2通过力传感器或应变片测量应变得到工件的变形力，如图4所示。
装夹装置底座4通过压板固定等方式实现装夹装置在工作台上的固定。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.一种在零件加工过程中精确测量变形力的方法，其特征为：在零件上设置固定装夹点，其中以在零件刚性区域设置固定装夹点，形成固定约束区域，固定约束区域对零件形成固支约束；在零件上设置测量装夹点，选择在零件变形大的地方设置安装，对零件形成简支约束；在零件、固定装夹点及测量装夹点上布置力传感器，以零件局部变形量均为线弹性变形为约束优化固定装夹点及测量装夹点的位置及数量，在优化后的装夹布局下测量零件加工过程中由于应力不平衡产生的力，即变形力；固定装夹点选择零件的中心区域；固定装夹点根据需求安装力传感器；固定约束区域用于固定零件的6个自由度，限制零件位移；力传感器的测量方向根据零件变形形式进行设置：零件变形为翘曲变形，力传感器选单向力传感器，测量垂直方向变形力；零件变形为扭曲变形，力传感器选多向力传感器测量多个方向的变形力；在使零件局部变形量满足线弹性变形条件下设置测量点的位置和数量，测量点的布局包括多个点形成线列传感器和在面内布局传感器形成面传感器；测量点的位置及数量的优化方法选择遗传算法，将固定装夹点及测量装夹点的数量和位置进行编码；根据零件线弹性变形量适应度函数，选取初始群体；然后迭代运算，直至零件局部变形量满足线弹性变形条件，结束迭代。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是测量装夹点选择零件轮廓边缘。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：当所述零件为开敞性结构件时，固定装夹点选择重心包围的最小区域；测量装夹点选择零件轮廓边缘的角点；当所述零件为回转体零件时，固定装夹点选择零件底部基座中重心包围的最小区域；测量装夹点包含径向测量装夹点及轴向测量装夹点；径向测量装夹点选择在零件圆筒内部测量；轴向测量装夹点选择零件上、下圆环轮廓边缘。
4.一种权利要求1所述方法使用的在零件加工过程中精确测量变形力的装置，其特征为：它包括：
一夹紧装置（1），该夹紧装置（1）用于约束零件变形，由零件定位夹紧装置或压板构成；
一测力装置（2），该测力装置（2）由力传感器或应变片组成，它通过测量集中力或应变，得到变形力的大小；
一底座（4），该底座（4）用于将夹紧装置（1）和测力装置（2）整体固定于工作台上；
一补偿调整机构（3），该补偿调整机构（3）根据需求安装，它被用于调整装夹位姿，在保证夹紧力的基础上，减少装夹引起的零件变形量；测力装置（2）与连接装置集成时，安装位置集中力通过位置测量变形集中力；或测量局部装夹位置力根据装置结构进行计算，得到集中力。
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